一种功率MOS器件开启过程中瞬态温升在线测量方法与流程

本发明属于功率半导体器件以及电力电子应用技术领域，该发明主要应用于功率mos器件温升的在线实时测量。

背景技术：

随着半导体工艺技术的不断进步，半导体器件的特征尺寸越来越小，集成度越来越高。尤其是功率mos器件，朝着高压、大电流的方向发展，器件工作过程中所承受的功率不断增大，器件工作时产生的热量不断增多，使得结温剧烈升高，这将使功率mos器件性能迅速恶化，如工作寿命变短或性能变差，这都将对器件甚至整个系统的可靠性带来很大的挑战。因此，对于功率mos器件在工作状态下的温升的在线测量就显得十分必要。

现有技术中，功率mos器件的温升测试多采用电学法，相关标准有美军标mil-std-750e,国军标128a-97.3161等。该种方法在获取器件热阻构成方面有很大的优势，是通过小信号测试温敏参数来实现温升的测量，但该方法并不能实现功率mos器件开启瞬态过程中温升的测量。然而，当前对于半导体器件的在线测温和实时监控工作状态等可靠性问题方面有迫切需要，但有效的方法却少之又少。

技术实现要素：

本发明采用的技术方案为一种功率mos器件开启过程中瞬态温升在线测量方法，该方法技术重点在于：在功率mos器件开启瞬态的测温过程中，打破静态与瞬态温敏参数不能交叉使用这一限制。在校温曲线测量过程中，利用功率mos器件的静态温敏参数代替动态温敏参数，建立校温曲线库。在功率mos器件工作状态下，通过在功率mos器件的栅极施加不同大小的电压信号，即通过检测在不同栅极电压vgs条件下，饱和区源漏电压vds、源-漏电流ids与结温t的对应关系，通过数学建模得出温敏参数与结温的函数关系式，从而建立校温曲线库。在功率mos器件开启瞬态过程中，使用成熟的采集模块，将栅极电压vgs、源-漏电压vds和源-漏电流ids进行实时采集，通过校温曲线即可得到此刻的结温值，即实现了功率mos器件瞬态温升的在线测量。

具体而言，该技术方案如下：

使功率mos器件处于工作状态，给功率mos器件的栅极通入不同大小的开启电压，在功率mos器件的源、漏极接入不产生自升温的窄脉冲电压信号，将功率mos器件放置于加热装置中，设定所需温度，待其稳定后即功率mos的温度同加热装置设定温度一致，可认为此时结温与设定温度相同；栅极加电压，使功率mos器件开启，漏源加窄脉冲电压防止自升温对测温结果产生影响；测量栅极电压vgs不同数值情况下，源漏电压vds和源-漏电流ids随温度变化的曲线即为校温曲线。在功率mos器件工作状态下，使用采集模块实时采集温敏参数的数值，将该数值带入到校温曲线库中，即可得到功率mos器件在工作状态下的温升。

一种功率mos器件开启过程中瞬态温升在线测量系统，包括：功率mos器件101、散热平台201、加热装置301、栅极电压源401、漏极电压源501、0.05ω采样电阻601、负载电容701和示波器801。散热平台201用于给功率mos器件101散热；加热装置301用于建立校温曲线；栅极电压源401和漏极电压源501用于给功率mos器件栅极和源、漏极施加脉冲电压信号；0.05ω采样电阻601：0.05ω采样电阻601用于采集漏极电流，本测试系统中，0.05ω采样电阻601与功率mos器件101使用隔离gnd；故采样电阻的选取原则是，读取电压信号不宜过小，不得小于1mv，便于两信号分析即可；示波器801为模拟带宽大于1ghz的示波器，用于采集栅极电压信号和源-漏极电流的变化情况。

本发明的特征在于：

ⅰ.确定了功率mos器件开启过程中栅极电压信号、源-漏电压信号、源-漏电流信号与瞬态结温存在对应函数关系；

ⅱ.建立了开启瞬态过程的功率mos器件瞬态温升的实验方法；

ⅲ.建立校温曲线库后，可以测量功率mos器件开启瞬态结温升；

ⅳ.找到稳态条件下和瞬态条件下相同的参数进行测温，利用稳态参数进行功率mos器件开启瞬态的实时测温，打破稳态和瞬态的壁垒。

该方法包括以下步骤：

ⅰ.将功率mos器件101放置于加热装置301内，引脚通过导线外接晶体管测试仪并分别设定温度，当温箱的温度达到了设定的温度并保持稳定一段时间后，栅极加电压，源极、漏极分别加不同数值的脉冲电压，在不同的温度，不同栅压的条件下，测量源-漏电压vds和源-漏电流ids的数值大小；

ⅱ.瞬态开通过程栅极电压公式如下：

其中，il代表流经沟道电流，lch代表沟道长度，vgp代表米勒平台高度，vt代表阈值电压，μni代表载流子迁移率；

vt＝vt(t0)+p(t-t0)；

其中t代表功率mos的结温值，μn(t0)和vt(t0)代表温度t0时刻的载流子迁移率和阈值电压，p代表与功率mos器件工艺有关的常数；

ⅲ.饱和电流公式如下：

idsat＝β(vgs-vt)²；

其中,idsat代表饱和电流，vgs代表栅压,vt代表阈值电压，β代表增益因子；

其中，cox代表栅氧化层电容，μn代表载流子迁移率，w代表沟道宽度，l代表沟道长度；

将阈值电压和载流子迁移率代入饱和电流公式中；

整理得，

令，{vgs-vt(t0)+pt0}＝q；

整理得，

对温度t进行求导得:

ⅳ.饱和电压公式如下：

vds＝vgs-vth；

其中，vds代表饱和电压，vgs代表栅压，vth代表阈值电压；

其中，栅压和阈值电压都已证明是与温度有关的参数；

因此饱和电流、米勒平台电压(功率mos器件瞬态开通电压)和饱和电压都是与温度相关的参数，可以作为温敏参数。

ⅴ.对上述所测功率mos器件的数据进行处理，分析数据并建立对应函数关系作出在栅极电压vgs不同设定值条件下对应的源-漏电流ids和温度t的关系曲线，即校温曲线库。

ⅵ.在功率mos器件开启瞬态过程中，利用采集模块将上述三个温敏参数栅极电压vgs、源-漏电压vds和源-漏电流ids实时采集，并将其带入到校温曲线库中，即可完成功率mos器件开启瞬态过程中结温的在线测量。

本发明获取的瞬态温升结果与红外法的测温结果十分吻合，并且重复性和一致性良好。因此，本方法既解决了功率mos器件的温升在线测量难题，也为获取器件在某个瞬态下的温升测量问题提供了一条有效、便捷的途径。

附图说明

图1各个构件之间的连接关系

图2功率mos器件容性负载测试简化电路；

图3校温曲线库示意图；

图4功率mos器件瞬态开启瞬态过程中栅压与漏电流波形图；

图5功率mos器件开启瞬态过程中温度测量结果；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。

ⅰ.将功率mos器件放在加热装置内，引脚通过导线外接晶体管参数测试仪，如keysightb1505,分别设定加热装置温度为40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150℃，当加热装置的温度达到了设定的温度并保持稳定一段时间后，给栅极加电压，源-漏两端加脉宽为100μs的脉冲电压，电压范围0v～40v,在不同的温度下测得源-漏电流ids。仅为说明本发明专利的具体实施方式，但并不限于上述所提到的温度设定范围，以及脉冲电压宽度。

ⅱ.对所测功率mos器件的数据进行处理，通过算法拟合得出温敏参数与结温的函数关系式，建立校温曲线库vgs-vds-ids-t。

ⅲ.将功率mos器件开启瞬态过程中的栅压和源-漏电流，利用采集模块进行实时采集，并将其数值代入到校温曲线库中，即可得到该时刻的结温值，完成开启瞬态过程中的结温测量。